CN103293558B - 综合光电探测系统 - Google Patents
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Abstract
综合光电探测系统，包括一个扫描“传感器组件”，其内部集成在陶瓷基板上的1个32像元的线阵列（或单像元）的长波红外探测器芯片、1个输出波长为808nm的多芯并联激光二极管bar条和PIN二极管，定位并安装在密封壳体上2个光学镜头，以预调整LD快轴和慢轴激光发散角到一致，扫描传感器组件通过一个水平方向的扫描镜实现对车头前方，扫描镜由：1片蒸镀有宽带反射膜和保护增透膜的玻璃基反射镜片、1个轻合金悬架、两个轴承、以及驱动装置和角位反馈移传感器构成。本发明获取信息丰富和完备，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及汽车配件，具体为一种综合光电探测系统。
背景技术
目前国内外汽车夜视领域采用的解决方案无外乎三种，其中两种基于CCD/CMOS近红外/可见光成像器件，另外一种基于UFPA(非制冷长波红外焦平面器件)。其中基于CCD/CMOS近红外/可见光成像器，根据是否使用近红外光源又可以分为主动型和被动型两种。
国内提出的大多数汽车夜视方案均是基于所谓“高灵敏”摄像头的被动型方案，该方案由于受到器件本身动态范围和夜视性能的限制，在夜间的探测有效探测距离与人眼相差无几，因此这些系统无实际意义。
目前已经实用化并付诸于应用的方案主要是：
采用近红外光辅助光源的主动型近红外夜视系统，例如早期的奔驰高端车辆所配备的夜视系统；采用UFPA的热成像夜视系统，例如应用于宝马和奥迪高端车辆的夜视系统。
下面我们简要对比两种夜视系统：
1、主动型近红外夜视系统
普通车辆在夜间行驶时，当仅使用近光灯时，可视距离约30米左右，当使用远光灯时可视距离增加到80米。但使用远光灯受到行车条件的限制，例如会车期间必须关闭远光灯。
主动型近红外夜视系统在车辆的照明装置中增加了一组人眼不可见的近红外远光灯，然后使用一个近红外敏感的CCD或者CMOS光电探测器将目标的近红外光反射光转换为视频信号。
以我们搭建的主动型近红外汽车夜视系统为例，我们在试验车辆的前保险杠上加装了两个近红外线射灯，光源电功率合计20W，输出近红外线波长：900nm～780nm，图像传感器使用的是SONY的1/2寸高灵敏度黑白ICX429CCD，光学镜头F1.4,焦长35mm。
以我们搭建的主动型近红外汽车夜视系统为例，我们在试验车辆的前保险杠上加装了两个近红外线射灯，光源电功率合计20W，输出近红外线波长：900nm～780nm，图像传感器使用的是SONY的1/2寸高灵敏度黑白ICX429CCD，光学镜头F1.4，焦长35mm。
从试验来看，系统具有一定的效果，在夜间能够在一定程度上增大可视距离，并在会车期间能够部分改善本车车道方向的可视度。由于夜晚试验期间大气能见度较好，因此试验中在白天补充了近红外波段传感器透雾能力的对比测试，测试情况是：系统在薄雾情况下近红外成像能够改善图像质量。
从试验来看，系统具有一定的效果，在夜间能够在一定程度上增大可视距离，在会车期间当对面来车未使用相同的夜视系统时，本车能够改善本车车道方向的可视度。
但试验证明，当两辆奔驰新S级的司机都使用夜视系统逆向相遇时在显示屏上图像会出现短时间的亮白，图像被对方的近红外线彼此淹没了。因此主动近红外夜视系统大规模推广应用时存在严重缺陷。
另外即便是与普通的(没有安装主动夜视系统)车辆会车时，当对方远光未关闭时由于普通汽车大灯输出光辐射中也存在大量的近红外辐射，因此也会导致近红外图像探测器的饱和与失效。
从上表可以看到，两种系统各有优缺点，但都不适合于大规模应用，其原因分别是：
1、主动红外型汽车夜视系统：由于探测距离近、另外更为关键的是：同时装有该系统的车辆在逆向会车时，该型夜视系统的夜视功能可能完全失效；
2、UFPA热成像夜视系统：存在图像分辨率差和价格昂贵等问题。
综上所述，为了适应未来汽车市场的需求，我们需要提出一种低成本的和更为了大幅度降低汽车夜间行驶期间的车祸概率，从上世纪末开始，各种夜间成像技术逐渐开始应用于汽车的夜间行驶辅助系统。
发明内容
通过前面我们对基于近红外图像探测器的夜视系统和基于非制冷热成像的夜视系统的分析，我们看到两种系统都存在性能或者成本上的致命缺陷，导致两种系统的不能够实现规模化的推广和应用。
通过分析我们认为新型的昼夜型汽车安全驾驶辅助系统应当满足如下的性能和功能要求：
表1、新型汽车夜视系统的性能和技术要求
为满足表2中1～10项的功能要求，我们需要三个功能单元分别覆盖和实现各个功能：
表2、综合光电探测器模块的关键功能的划分和实现
我们需要考虑表2中的最后两项要求(既：低成本和规模应用要求)，结合这两点我们需要对上述的探测器和模块做出合理的选型。
我们首先考虑汽车行驶路径上障碍物的分布特征：
我们可以把与汽车宽度相当的行驶路径上，高度高于汽车底板的物体判别为障碍物，针对障碍物分布的空间特点，另外考虑到车辆转弯以及可移动障碍物(例如行人和其他机动车辆)的位置变化。综合光电探测器应当对车头前方，上下视场角越10～30度，水平视场角越60～90度的扇形区域进行探测和成像；
首先分析“长波红外成像探测器”的选型，非制冷的长波红外探测器目前可以获得面阵列器件、线阵列器件和单像元器件，这些器件按照工作机理又可以分为：热敏电阻型、热释电型和热电偶型。其中热敏电阻型容易获得并且技术最为成熟，而热敏电阻型中又分为采用多晶硅作为热敏电阻材料的探测器和采用氧化钒半导体作为热敏电阻的探测器。
由于非制冷的面阵探测器，即UFPA器件价格昂贵，因此我们在新设计中不予以考虑。由于单像元和线阵列非制冷红外探测器的结构和工艺难度相对于UFPA较低，因此单像元和线阵器件的价格远低于UFPA，另外目前国内多家单位已经研制出成熟的非制冷单像元和线阵探测器产品，因此我们初步考虑选择基于热释电原理的非制冷单像元或者线阵列探测器作为我们的“长波红外成像探测器”核心器件。
我们可以选用廉价的、较大像元面积(较大的像元面积可以获得更高的响应率和更低的NETD)的单像元或者线阵列(16～32像元)探测器,然后结合光机扫描机构，我们就可以实现高灵敏度的一维或者两维的热成像探测。
同时，单像元和线阵列(16～32像元)探测器的信号读出和更为简便，也有利于后续处理电路的进一步简化。
其次考虑“高清晰度图像传感器”的选型，这里的“高清晰度图像传感器”我们指的是对400nm～1um的可见光和近红外敏感的图像探测器，这类器件主要有两大类，一类是基于电荷耦合读出方式的CCD图像探测器，另一类是基于寻址读出方式CMOS图像探测器。
从结构上来看，这些探测器也分为面阵探测器和线阵探测器。从我们的应用背景(夜间低照度下成像)分析，我们需要宽动态、高灵敏和低噪声的探测器，而满足这一要求的面阵探测器需要有足够大的像元，考虑选用高清晰度的1/2寸宽动态的CMOS图像传感器。
再其次我们考虑“连续测距机”，连续测距机用于在车辆行驶期间对车辆前方的障碍物做实时的距离测量和相对速度测量。下面我们对比和分析目前的几种主要测距方式：
表3、综合光电探测器模块的关键功能的划分和实现
表3中我们对比了可用的4种测距方式，其中“扫描激光测距”是基于连续激光相位测距机，然后通过光机扫描机构实现的一维多点连续测距。可以看到“扫描激光测距”具备多点测距、相对速度读出和后期数据处理简单等优势。
综合光电探测系统，包括一个扫描“传感器组件”，其内部集成在陶瓷基板上的1个32像元的线阵列(或单像元)的长波红外探测器芯片、1个输出波长为808nm的多芯并联激光二极管bar条和PIN二极管，定位并安装在密封壳体上2个光学镜头：包括1个直径9mm的锗透镜、1个直径3mm的LD准直透镜所述的LD上方还集成一个柱透镜，以预调整LD快轴和慢轴激光发散角到一致，一个宽动态高灵敏度CMOS图像探测器组件，该组件包含1个9mm直径的近红外/可见光透镜，扫描传感器组件通过一个水平方向的扫描镜实现对车头前方，水平方向±45度角范围进行扫描成像，扫描镜由：1片蒸镀有宽带反射膜和保护增透膜的玻璃基反射镜片、1个轻合金悬架、两个轴承、以及驱动装置和角位反馈移传感器构成；一个宽动态高灵敏度CMOS图像探测器组件，通过透镜对车头前方对角线40度视场进行成像探测。
扫描镜可以通过以下方式驱动：
扫描镜匀速旋转驱动，扫描镜通过无刷空心杯电机以约120转/分钟的转速驱动旋转(此方式下扫描镜的两面均粘附有反射镜片)，此驱动方式下，我们通过霍尔传感器或者光栅传感器检测反射镜的转速和相位，并输出给稳速电路以及图像读出电路。
需要说明的是：扫描镜的转轴垂直于车辆的水平面，在正常行驶状态下，车辆的振动加速度最大的方向主要是垂直方向，角加速度最大的方向是前后方向和左右方向，因此车辆状态对扫描镜的工作不会产生大的影响。
整个光电探测单元通过一个光学窗口进行防护，光学窗口使用小块的条状锗窗口和普通的光学玻璃拼接而成。
有益效果：
本发明获取信息丰富和完备：可以同时获得广角度的热像信息、距离信息和直观的高分辨率可见光/近红外视频图像，结构简单：两个点源探测器和一个线阵探测器共享一个水平扫描镜，实现多光谱成像和实时多点测距，另外点源探测器和线阵探测器读出电路简洁。成本低：由于核心器件的成本低，因此在批量工业化生产后实现很低的硬件成本。后期信息处理简便：后期信息处理基本不涉及复杂的图像处理和运算，必要的关键信息已经由热像和距离探测器直观给出。信息显示直观：处理后的路面障碍物信息既可以直观地叠加在高清晰度的可见光/近红外视频图像上，也可以通过俯视图方式显示障碍物与车辆的距离信息。
附图说明
图1综合光电探测单元外形图，包括锗窗口1、玻璃窗口2；
图2综合光电探测内部结构，包括预处理电路3、传感器组件4、扫描镜5、宽动态CMOS 6；
图3扫描传感器组件管芯结构图，包括锗透镜7、LD准直透镜8；
图4传感器组件和光学镜头结构图，包括32像元非制冷线阵和读出电路9、LD管芯10、柱透镜11、PIN管芯12、LD热沉13；
图5扫描镜结构图；
图6现有的汽车夜视方案流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
综合光电探测器模块结构说明：该模块由：
一个扫描“传感器组件”，其内部包括：
集成在陶瓷基板上的1个32像元的线阵列(或单像元)的长波红外探测器芯片、1个输出波长为808nm的多芯并联激光二极管bar条和PIN二极管，定位并安装在密封壳体上2个光学镜头：包括1个直径9mm的锗透镜、1个直径3mm的LD准直透镜(LD上方还集成一个柱透镜，以预调整LD快轴和慢轴激光发散角到一致)。
一个宽动态高灵敏度CMOS图像探测器组件，该组件包含1个9mm直径的近红外/可见光透镜。
扫描传感器组件通过一个水平方向的扫描镜实现对车头前方，水平方向±45度角范围进行扫描成像。扫描镜由：1片蒸镀有宽带反射膜和保护增透膜的玻璃基反射镜片、1个轻合金悬架、两个轴承、以及驱动装置和角位反馈移传感器构成，一个宽动态高灵敏度CMOS图像探测器组件，通过透镜对车头前方对角线40度视场进行成像探测。
扫描镜可以通过以下方式驱动：
扫描镜匀速旋转驱动，扫描镜通过无刷空心杯电机以约120转/分钟的转速驱动旋转(此方式下扫描镜的两面均粘附有反射镜片)，此驱动方式下，我们通过霍尔传感器或者光栅传感器检测反射镜的转速和相位，并输出给稳速电路以及图像读出电路。
需要说明的是：扫描镜的转轴垂直于车辆的水平面，在正常行驶状态下，车辆的振动加速度最大的方向主要是垂直方向，角加速度最大的方向是前后方向和左右方向，因此车辆状态对扫描镜的工作不会产生大的影响。
整个光电探测单元通过一个光学窗口进行防护，光学窗口使用小块的条状锗窗口和普通的光学玻璃拼接而成。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.综合光电探测系统，其特征在于，包括一个扫描传感器组件和一个宽动态高灵敏度CMOS图像探测器组件，扫描传感器组件内部包括集成在陶瓷基板上的1个32像元的线阵列或单像元的长波红外探测器芯片、1个输出波长为808nm的多芯并联激光二极管bar条和PIN二极管，定位并安装在密封壳体上2个光学镜头，其中一个光学镜头包括1个直径9mm的锗透镜，另一个光学镜头包括1个直径3mm的LD准直透镜，所述的LD准直透镜上方还集成一个柱透镜，以预调整LD准直透镜的快轴和慢轴激光发散角到一致；宽动态高灵敏度CMOS图像探测器组件包含1个9mm直径的近红外/可见光透镜，扫描传感器组件通过一个水平方向的扫描镜实现对车头前方，水平方向±45度角范围进行扫描成像，扫描镜由：1片蒸镀有宽带反射膜和保护增透膜的玻璃基反射镜片、1个轻合金悬架、两个轴承、以及驱动装置和角位移反馈传感器构成，宽动态高灵敏度CMOS图像探测器组件通过透镜对车头前方对角线40度视场进行成像探测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Wei Inventor before: Wang Zhuo Inventor before: Zhan Lihua Inventor before: Ruan Liangliang |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20170314 Address after: Shushan District of Hefei City, Anhui Province, Jiangmen 230000 garden business office floor B-1014 room 10 Applicant after: HEFEI WISDOM LONGTUTENG INTELLECTUAL PROPERTY CO., LTD. Address before: Daoxiang road in Shushan District of Hefei City, Anhui province 230088 No. 9 Business Center Room 801 8 Applicant before: Hefei Eagle-Han Electronic Technology Co., Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20170605 Address after: 201400 room 1, building 19, 1201 Lang Lu, Shanghai, Fengxian District Patentee after: Shanghai Rice Industry Co., Ltd. Address before: Shushan District of Hefei City, Anhui Province, Jiangmen 230000 garden business office floor B-1014 room 10 Patentee before: HEFEI WISDOM LONGTUTENG INTELLECTUAL PROPERTY CO., LTD. |
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Granted publication date: 20170412 Termination date: 20180605 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |